光电传感器在智能水表中的应用

1 智能水表

1.1 智能水表概述

随着计算机技术，现代通讯技术和自动化技术的迅猛发展，智能化建筑在发达国家应运而生。 近年来，智能化住宅小区建设在我国发展的很快，自来水远程抄表系统正是智能化住宅小区的必备系统。 目前我国城乡居民用户水表抄表一般采用人工抄表方式。这种方式需要消耗大量的人力、物力,采集数据的时间跨度大、采集数据的准确度低，同时给用户带来很多麻烦，甚至带来不安全的因素。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端，提高效率，避免入户抄表引发的不安全因素和杜绝拖欠费用等情况，远传抄表系统得到了大力推广。 远程抄表是一种便民系统，作为现代化管理系统的重要组成部分，该系统发挥了重要作用。

1.2 传感器在智能水表中应用

目前，实现远程抄表有很多技术，例如蓝牙技术、无线局域网技术等，现有的各种转换方式如采用单、双干簧管传感器、摄像直读传感器或霍尔元件，都在不同方面存在缺陷或不足。 从实际的运行的情况来看，表现不尽如人意,存在两大问题：（1）必须不间断供电，当电源断电时间过长或信号线路需要维修时，远传读数部分停止计量，机械读数照常运转。 因此恢复供电或维修完毕后需重读水表的机械读数，再对远传部分重新设置底数。（2）运行中会产生累积误差，水表机械读数与电子读数不完全一致，总存在一定误差。尤其是“单、双干簧管表”因为临界点颤动误发信号无法克服，误差非常大。 由于这些问题如果不能得到妥善解决，上述传感器在市场上难以成为主流产品。 针对上述的难以克服的缺陷，人们将研究目光投向光电直读，本文在此介绍的是一种直读式远传水表，其最大特点是平时不需要电源，只有在抄表的瞬间才需要电源， 摆脱了脉冲等远传水表离开电源便无法工作的难题，并且使水表的机械读数与电子读数完全一致。

2 光电直读计数器的应用

光电直读表是在普通水表的计数器字轮印刷0-9 位置的外缘印刷特定标记，在其外围固定光电传感器及相关电路。外部供电读表时，通过光电传感器判断特定标记“有”和“无“的状态，通过组合编码判断以获得字轮的读数（表计的窗口值）。

2.1 光电直读计数器的组成

光电直读计数器包括壳体、驱动轮、进位齿轮、数字轮、信号采集板、光电传感器等。

图1 光电计数器示意图

2.2 光电直读计数器概述

光电直读计数器有若干个同轴数字轮，最低位数字轮与驱动轮连接， 该数字轮端面的两个半径圆周上分别开有若干个弧形透光孔，同时数字轮上印有0-9 共10 个数码，每个数码的间隔被3 等分；进位轮与数字轮啮合，位于最右边的低位数字轮每转一圈，就带动与它相连的进位齿轮走一个齿， 进而带动位于左边的高位数字轮走一个数字，实现进位；信号采集板，位于数字轮两侧，其上设置若干对光电传感器，每对光电传感器包含一个发射管和一个接收管。

2.3 光电直读计算器编码原理

2.3.1 数字轮设计

数字字轮的柱面被30 等分， 整个柱面平均分为0-9 共10 等分，然后，每个数字间隔之间的扇面再3 等分，因此整个数字轮的柱面被30 等分。 自此，数字轮上的每个数就具有“上格”“正格”“下格”之分。例如：数字“8”就有“8 上格”“8 正格”“8 下格”。 当读数在“8 上格”“8正格”“8 下格”时，均读为“8”，这就避免了进位时的误读。

图2 数字字轮示意图

2.3.2 光电传感器设置

在光电直读计算器中，信号采集板上安装6 对红外发射管和红外接收管，发射管和接收管构成的红外对管光路与数字轮的转动轴线平行，同一个同心圆的半个圆周上分布5 对光电传感器，其作用是抄报数字轮的读书，在另一个同心圆的圆周上设置1 个光电传感器，称为进位传感器，其作用是校验进位轮的进位状态。

2.3.3 码道分布及其编码方法

数字轮的端面上分别开有3 个弧形透光槽，作为编码的码道。 每一个数字轮的端面上分布有3 个圆弧孔，其中三个圆弧孔是位于同心圆上的，该同心圆的半径与5 个光电传感器所位于的同心圆的半径相同，当圆弧孔转到5 个光电传感器中的任何一个时，均可通过圆弧孔透光，从而使接收管能够接收到发射管所发射的光线，起到抄报数字轮读数的作用。 其中一个圆弧孔比另外两个圆弧孔更宽一些，覆盖到进位校验传感器所处的同心圆中，这样，当此圆弧孔转动到进位校验传感器时，接收管可以接收到发射管所发射的光线，起到进位校验作用。

图3 直读采集器结构示意图

2.3.4 数据读取与上传

上述编码方式读取的数据通过程序方式存入单片机， 抄表时，由外部供电，通过光电传感器读取字轮编码传递给单片机，单片机按照电路逻辑关系，将数据上传给区域集中器，再由集中器将所抄表具读数上传给上位机管理软件。

3 应用

经过多年从理论到实践经过多次研究， 对设计方案进行了修改和实际产品验证，实践证明在结构和装配误差要求范围内，确定此方案可以做到准确读取字轮数据。

4 结束语

随着现代计量技术、传感技术、计算机信息技术等的日益发展，智能水表的智能性也得到日益提高。利用智能水表具有经济、实时、数据共享等优点，将会越来越多地应用于社会发展的各个方面，并实现人类和水资源的和谐相处。光电直读式计算器由于既有机械式计数器的无需带电工作的优点，又可采用光电直读方式读取计算值，可用于集中管理。 可见，光电直读计数器的合理广泛应用对于大力发展智能水表具有非常重要的作用和意义。